[发明专利]氧化或还原石墨烯基宏观材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化或还原石墨烯及其复合材料制成的宏观材料，以及制备方法。

背景技术

石墨烯（Graphene）是一种由sp2杂化碳原子组成的呈六角型晶格的单原子厚二维薄膜材料。石墨烯不仅是世界上最薄强度最强的纳米材料，它还具有众多优异性能，如超高透光度（只吸收2.3%）；高导热性（5300W/m·K），高常温下其电子迁移率（超过15000cm²/V·s），导电导热性均高于碳纳米管和金刚石，而且电阻率只约10^-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料。

氧化石墨烯纸[Graphene(oxide)paper]或还原石墨烯纸，是由单层或是多层氧化或还原石墨烯（逐层堆垛而成的二维宏观石墨烯新材料。氧化或还原石墨烯纸虽薄于纸，但质量轻、强度高，具有优秀的柔韧性，且环保可再生。鉴于氧化或还原石墨烯纸质量轻、强度高的特性，该材料可以用来取代传统的钢材和铝材，有望在汽车制造和航空工业领域首先获得应用。相比传统的飞机和汽车，用这种新材料制成的汽车和飞机重量轻、强度高，因而可以直接实现节能减排，而且强度更高更安全，同时也大大降低了未来新能源电动或混合动力汽车的设计推广对动力电源的功率及能量密度的要求。

同时，由于其优异导电和导热性能，以及特殊的纳米结构和表面界面特性，石墨烯及其与过度金属化合物的复合纸在能源存储和转换领域的应用一直以来都是石墨烯领域研究的重点之一。例如美国伦斯勒理工学院的研究人员将经过激光或照相机闪光灯的闪光处理的石墨烯纸作锂离子电池的阳极材料，由于其独特的孔洞结构给电解质润湿及锂离子迁移提供了高速通道，因而其电化学性能相比普遍使用的石墨阳极充电或放电速度快10倍，未来可驱动电动车。除此之外，石墨烯与Sn或SnO_x，Si，Ge等组成的复合石墨烯纸，相比传统石墨阳极具有更高的锂离子存储容量，相比于纯金属及其氧化物而言，复合氧化或还原石墨烯纸具备更加优异的循环性能和更高的体积能量密度和安全性能。石墨烯复合纸也被广泛得应该用在电化学超级电容器领域。

尽管氧化或还原石墨烯纸拥有广阔的应用前景，但现有技术中只能在实验室内制备出少量小尺寸的石墨烯及其复合纸材料、氧化石墨烯及其复合纸材料，尺寸调节受到各种条件限制，实验室样品的长度一般在厘米级，厚度一般在微米级。应用领域有限，并且其大规模使用仍被其昂贵的生产费用、超低的生产效率所限制。

氧化或还原石墨烯纸主要可以通过三种方法制备，分别是化学气相沉积法，真空抽滤法和气液界面自组装法。其中化学气相沉积法费用最高、效率较低，且尺寸受气相沉积设备限制，只适用于沉积超薄透明导电石墨烯薄膜。气液界面自组装法通过加热石墨烯溶液，挥发过程中在溶液与空气的界面处形成一层薄薄的石墨烯膜，受限于自主装工艺和高度致密的石墨烯膜结构，此法不适于厚膜及复合纸的制备。真空抽滤法虽然相比其他两种方法具备明显的优势，比如生产效率高，适用性强，但是抽滤过程需要用到的昂贵的滤纸，如聚四氟乙烯滤膜和阳极氧化铝滤膜，价格都在30元/片以上，且无法重复利用，尤其是阳极氧化铝滤膜，尤其脆，完全无法满足工业化大规模生产的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可根据应用需要而制成相应尺寸的大尺寸氧化或还原石墨烯基宏观材料。同时，本发明还提供上述大尺寸氧化或还原石墨烯基宏观材料的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化或还原石墨烯基宏观材料，由大于或等于两张氧化或还原石墨烯基纸相邻处搭接而成的厚度为200nm～1m、长度为9cm～无限长、宽度为9cm～无限长的宏观材料；连接处的连接强度大于或等于氧化或还原石墨烯基纸本身的断裂强度。

所述氧化或还原石墨烯基宏观材料为氧化或还原石墨烯基复合布，或氧化或还原石墨烯基复合带，或氧化或还原石墨烯基复合板/块；

所述氧化或还原石墨烯基复合布尺寸为厚度：200nm–200μm，长度：9cm–无限长，宽度：9cm–无限长；

所述氧化或还原石墨烯基复合带尺寸为厚度：200nm–200μm，长度：9cm–无限长，宽度：0.2cm–50cm；

所述氧化或还原石墨烯基复合板/块尺寸为厚度：200μm–1m，长度：2cm–50m，宽度：0.5cm–50m。

氧化或还原石墨烯基纸中，复合添加相为碳纳米材料，或为过渡金属或过渡金属化合物，或为纳米硅中的一种或多种；复合添加相在氧化或还原石墨烯基纸中的含量为0到70wt%。